Wärmepumpen

Moderne Wärmepumpen sparen Energie
Energieeinsparen lautet eine der wichtigsten Forderungen unserer Zeit. Die Bundesregierung sieht sich diesem wichtigen Ziel verpflichtet, was man in der Vergangenheit und in der Gegenwart durch diverse Förderprogramme und gesetzlichen Vorschriften merken konnte. Die Richtwerte der Wärmeschutzverordnung verpflichten seit Januar 1995 Bauherren zu einer guten Wärmedämmung und einen maximalen Energiebedarf für die Heizung von 100 kWh/qm pro Jahr. Seit 2002 ist die Energieeinsparverordnung in Kraft, die den maximalen Wärmebedarf nochmals reduziert. Die bessere Dämmung und damit der Schutz von Gebäuden (Niedrigenergiehäuser) gegen unkontrolliertes Entweichen von Wärme führt nicht nur generell zu einer Senkung des Energieverbrauches und der daraus resultierenden Verringerung der Schadstoffemission, sondern ist auch die entscheidende Vorraussetzung für einen Einsatz von energiesparenden Niedertemperaturheizungen (optimal ist die Fußbodenheizung) und damit von Wärmepumpen. Die Regelung der Wärmepumpe ist außentemperaturabhänig. Aufgabe dieser Regelung ist es, die eingestellte Solltemperatur zu sichern. Das Ergebnis ist ein überdurchschnittlich gutes Verhältnis von gewonnener Heizwärme zu aufgewandter Energie. In Zahlen ausgedrückt heißt das: Aus 1 kWh elektrischer Energie können je nach Wärmequelle bis zu 5 kWh Nutzenergie gewonnen werden, was auch von der ausgewählten Heizungsvorlauftemperatur abhängig ist. Deshalb sollten bei Wärmepumpenheizungen die Heizflächen des Warmwasserwärmeverteilungssystems entsprechend groß dimensioniert werden, um mit niedrigen Vorlauftemperaturen von maximal 35 °C heizen zu können. Hier haben sich Fußbodenheizflächen hervorragend bewährt.

Bei einer Warmwasser-Fußbodenheizung wird im Estrich ein Rohrleitungsnetz aus Kupfer oder Kunststoff verlegt, durch welches das von der Wärmepumpe aufgeheizte Wasser strömt. Die Rohrleitungen geben permanent Wärme in den Raum ab, so dass der Boden immer leicht erwärmt und nie fußkalt ist. Durch Fußbodenheizung ist die Belastung durch aufgewirbelten Hausstaub für Allergiker wesentlich geringer als bei Radiatorenheizungen. Durch den Einbau einzelner Heizkreise läßt sich die Temperatur in den Räumen individuell regeln. Die bereits erwähnte elektronische Regelung mit Außenfühlern sorgt dafür, dass immer nur soviel Energie aus dem Erdreich gewonnen wird, wie für ein behagliches Heim gerade erforderlich ist. Selbstverständlich läßt sich auch die Wärmepumpen-Fußbodenheizung für jeden Tag, z. B. für die Nachtabsenkung, programmieren. Diese umfassende Regelungsautomatik gewährleistet einen heute so wichtigen energiesparenden und damit auch kostengünstigen Betrieb.

In Kombination mit einer großzügig ausgelegten und qualitativ gut ausgeführten Wärmedämmung lassen sich die Vorteile der zukunftsichern Lösung am besten nutzen. Dadurch sind die Bedingungen für den Einsatz von Wärmepumpen schon heute günstig, und sie werden – davon kann man ausgehen – künftig noch besser werden.

Arbeitsweise der Wärmepumpe

Den wichtigsten Beitrag für das Funktionieren einer Wärmepumpe leistet ein Kältemittel, nachfolgend auch Arbeitsmedium genannt. Es hat die Eigenschaft, bei niedrigsten Temperaturen zu verdampfen. Leitet man nun Außenluft oder Wasser zu einem Wärmetauscher (Verdampfer), in dem das Arbeitsmedium zirkuliert, entzieht es dieser Wärmequelle die notwendige Verdampfungswärme und geht vom flüssigen in den gasförmigen Zustand über. Die Wärmequelle kühlt sich dabei um einige Grad ab. Ein Verdichter saugt das gasförmige Arbeitsmedium an und preßt es zusammen. Durch die Druckerhöhung steigt auch die Temperatur – das Arbeitsmedium wird also auf ein höheres Temperaturniveau „gepumpt“. Hierzu ist elektrische Energie notwendig. Da es sich um einen sauggasgekühlten Verdichter handelt, geht diese Energie (Motorwärme) nicht verloren, sondern gelangt mit dem verdichteten Arbeitsmedium in den nachgeschalteten Verflüssiger. Hier gibt das Arbeitsmedium seine gewonnene Wärme an das Umlaufsystem der Warmwasserheizung ab, indem es sich verflüssigt. Anschließend wird mit Hilfe eines Expansionsventil der noch immer vorhandene Druck abgebaut und der Kreisprozeß beginnt erneut. Vereinfacht dargestellt arbeiten Wärmepumpen wie Kühlschränke, jedoch mit umgekehrter Wirkung: Der Umwelt wird Wärme entzogen und für Heizzwecke nutzbar gemacht.

Wärmequelle Luft

Durch die Sonne erwärmte Luft ist überall vorhanden. Wärmepumpen holen selbst bei -18 °C noch genügend Wärme aus der Außenluft. Luft als Wärmequelle hat allerdings den Nachteil, dass sie dann am kältesten ist, wenn am meisten Heizwärme benötigt wird. Es gelingt zwar, ihr noch bei -18 °C Wärme zu entziehen, die Leistungszahl der Wärmepumpe geht jedoch zurück. Deshalb wird vielfach eine Kombination mit einem zweiten Wärmeerzeuger angestrebt, der während der kurzen, besonders kalten Zeit im Jahr die Heizung unterstützt. Ein besonderer Vorteil ist die einfache Installation der Luft-Wärmepumpe, denn umfangreiche Erdreicharbeiten oder Brunnenbohrungen entfallen. Sonderanwendung: Die Nutzung von Abluft aus z. B. Industrie, Landwirtschaft, Friseursalons und Gastronomie kann für die Wärmepumpe genutzt werden.

Wärmequelle Wasser

Grundwasser ist ein guter Speicher von Sonnenwärme. Selbst an kältesten Wintertagen hält es eine konstante Temperatur von + 8 °C bis + 12 °C. Darin liegt der Vorteil: Aufgrund des gleichbleibenden Temperaturniveaus der Wärmequelle ist die Leistungszahl der Wärmepumpe das ganze Jahr günstig. Leider steht Grundwasser nicht überall ausreichend und in geeigneter Qualität zur Verfügung. Aber dort, wo es möglich ist, lohnt sich der Einsatz. Die Nutzung von Grundwasser muß durch die zuständige Behörde (im allgemeinen das Wasserwirtschaftsamt) genehmigt werden. Für die Wärmenutzung ist ein Saugbrunnen und ein Schluck- oder Sickerbrunnen zu erstellen. Auch Seen und Flüsse eignen sich zur Wärmegewinnung, denn sie wirken ebenfalls als Wärmespeicher. Über die Möglichkeit der Wassernutzung geben die Unteren Wasserbehörden Auskunft.

Wärmequelle Erdreich mit Erdreichkollektor

In Tiefen von 1,20 bis 1,50 m bleibt die Erde auch an kalten Tagen warm genug, um Wärmepumpen wirtschaftlich betreiben zu können. Voraussetzung ist allerdings, dass ein entsprechend großes Grundstück zur Verfügung steht, um ein Rohrschlangensystem (üblicherweise aus Kunststoff) zu verlegen, das die Erdwärme aufnimmt. Durch die Rohre fließt ein umweltfreundliches Solegemisch, das nicht einfrieren kann und die aufgenommene Wärme zum Verdampfer der Wärmepumpe leitet. Als Faustregel gilt: Man braucht 2-3 mal soviel unversiegelte Erdreichfläche wie die zu beheizende Fläche. Wichtig auch: Je feuchter der Boden, um so höher ist die Entzugsleistung.

Wärmequelle Erdreich mit Erdwärmesonde

Weniger Platzbedarf benötigen vertikale Erdwärmesonden, die mit einem Bohrgerät bis 100 Meter tief ins Erdreich eingesetzt werden. Erdwärmesonden bestehen aus einem Sondenfuß und endlosen, vertikalen Sondenrohren aus PE. Wie bei dem Erdreichkollektor zirkuliert in dem Kunststoff-Rohrsystem ein Solegemisch, welches dem Erdboden die Wärme entzieht. Die Entzugsleistung ist von den Bodenbeschaffenheiten abhängig, auch hier gilt: Je feuchter der Boden, desto höher ist die Entzugsleistung. Je nach Wärmepumpe und Bodenbeschaffenheit werden mehrere Erdwärmesonden zu einer Anlage zusammengeschaltet. Die Anlagen sind anzuzeigen und ggf. bei der Unteren Wasserbehörde genehmigen zu lassen.

Betriebsweisen der Wärmepumpe

Für die Art, eine Wärmepumpe zu betreiben, haben sich in der Fachwelt folgende Bezeichnungen eingebürgert:

Monovalent
Die Wärmepumpe ist alleiniger Heizwärmeerzeuger im Gebäude. Diese Betriebsart ist geeignet für alle Niedertemperatur-Heizungen bis max. 65 °C Vorlauftemperatur.

Monoenergetisch
Das Heizsystem benötigt keine zweite Energieart mehr. Die Luft/Wasser-Wärmepumpe arbeitet bis zu einer Außentemperatur von -18 °C mit Außenluft. Zusätzlich schaltet sich bei Bedarf bei tiefen Außentemperaturen eine Elektro-Zusatzheizung ein.

Bivalent-alternativ
Die Wärmepumpe liefert bis zu einer festgelegten Außentemperatur (z. B. 0 °C) die gesamte Heizwärme. Sinkt die Temperatur unter diesen Wert, schaltet sich die Wärmepumpe ab und der zweite Wärmeerzeuger übernimmt die Heizung. Für alle Heizungssysteme bis max. 95 °C Vorlauftemperatur ist diese Betriebsart möglich.

Bivalent-parallel
Bis zu einer bestimmten Außentemperatur erzeugt allein die Wärmepumpe die notwendige Wärme. Bei niedrigen Temperaturen schaltet sich der zweite Wärmerezeuger zu. Im Gegensatz zu bivalent-alternativen Betrieb ist jedoch der Anteil der Wärmepumpe an der Jahresleistung größer. Diese Betriebsweise ist für Heizungssysteme bis max. 65 °C Vorlauftemperatur geeignet.

Bivalent-teilparallel
Bis zu einer bestimmten Außentemperatur erzeugt allein die Wärmepumpe die notwendige Wärme. Sinkt die Temperatur unter diesen Wert, schaltet sich der zweite Wärmeerzeuger dazu. Reicht die Vorlauftemperatur der Wärmepumpe nicht mehr aus, wird die Wärmepumpe abgeschaltet. Der zweite Wärmeerzeuger übernimmt die volle Heizleistung. Diese Betriebsart ist für alle Heizsysteme über 65 °C Vorlauftemperatur geeignet.

Die Wärmepumpe wird bevorzugt in Verbindung mit Niedertemperatur-Fußbodenheizsystemen zur alleinigen Gebäudeheizung genutzt. Jahrzehntelange Betriebserfahrungen haben gezeigt, dass neben nahezu wartungsfreier Technik günstige Betriebskosten die Verwendung von Wärmepumpen rechtfertigen. Wer sich für eine Wärmepumpe interessiert, sollte sich nicht von eventuell falschen Angeboten über Anschaffungskosten, die die Wärmepumpe als zu teuer darstellen, abschrecken lassen. Hier muß man wirklich fair Position für Position vergleichen, denn bei einer Wärmepumpenanlage entfällt z. B. der Schornstein mit all seinen Folgekosten. Selbst wenn die Wärmepumpe nicht durch ein Förderprogramm seitens des Energieversorgers oder des Bundes gefördert wird und damit die Anschaffungskosten etwas höher sind als bei anderen Heizsystemen, so sind unter normalen Umständen die Betriebskosten geringer als bei den anderen Systemen und man hat außerdem die Gewißheit, etwas für die Umwelt getan zu haben.

Die monovalente Wärmepumpe ist für den Neubau die optimale Lösung. Der Wärmegewinn aus dem Erdreich – hier besonders mittels Erdsonden – bietet die meisten Vorteile. Eine monoenergetische Betriebsweise ist unter anderem wegen geringer Erschließungskosten eine wirtschaftliche Lösung.

Wir geben Ihnen gerne Auskunft über Einsatz von Wärmepumpen, außerdem geben wir Tips über aktuelle Förderungsmöglichkeiten der Energieversorger sowie des Bundes. Hier gehts zum Förderratgeber des Bundes.

Aus ökologischer Sicht weist die Wärmepumpe unter anderem noch folgende Vorteile aus: Im Vergleich zu einer Brennstoffzentralheizung verbraucht sie bis zu 40 % weniger Primärenergie und reduziert je nach Betriebsweise den Kohlendioxidausstoß gegenüber einer Ölzentralheizung um etwa 50 %, so dass die Umwelt erheblich entlastet wird.